近海深水區(qū)海上風(fēng)電工程技術(shù)研究與展望

陳杰湛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司，廣東廣州 510730）

0.引言

目前隨著淺水區(qū)規(guī)劃風(fēng)場陸續(xù)完成開發(fā)建設(shè)，我國海上風(fēng)電建設(shè)正呈現(xiàn)從近岸到遠(yuǎn)岸、從淺水區(qū)到深水區(qū)的發(fā)展趨勢，風(fēng)電機(jī)組逐步向大容量機(jī)組方向發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也逐步趨向于遠(yuǎn)樁距的導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式轉(zhuǎn)變，以此適應(yīng)深水區(qū)和單瓦造價的發(fā)展需求，同時國家退補(bǔ)政策上臺，平價上網(wǎng)時代的緊迫感逐步加強(qiáng)。為此，近海深水區(qū)的工程技術(shù)提升將成為降本增效的重要手段之一。

1.國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國擁有廣闊1.8萬km的海岸線和1.4萬km的島嶼海岸線，據(jù)最新評估，我國可開發(fā)海上風(fēng)能資源開發(fā)超過35億kW，且目前在國家及沿海各地的海上風(fēng)電相關(guān)政策扶持下，總體裝機(jī)容量位居全球第一，以廣東為例，目前海上風(fēng)電計劃開發(fā)建設(shè)6685萬kW容量風(fēng)場，其中約85.3%開發(fā)場址為深水區(qū)海上風(fēng)電。

在深水區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目中，大直徑單樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性逐步降低。尤其是我國福建、浙江和廣東海域，由于海床淺表層多為淤泥，地層大多以粘性混砂層為主，設(shè)計工程樁整體較長，對施工船機(jī)設(shè)備性能要求高，市面上可符合的船機(jī)資源也相對較少。同時由于單樁基礎(chǔ)鋼在結(jié)構(gòu)重量上相對導(dǎo)管架基礎(chǔ)已不再有優(yōu)勢，未來市場上以導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式的風(fēng)機(jī)占據(jù)主流。

對于深水區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)，目前出現(xiàn)的有三、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)及吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，由于后者仍在起步階段，受市場主要關(guān)注是采用先樁法施工的四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，其施工分為樁基施工和導(dǎo)管架安裝兩大部分[1]。

2.樁基施工

深水區(qū)樁基特征主要在于工程樁根開間距較大，在大容量機(jī)組的大環(huán)境下，對機(jī)組承載要求不斷增大，樁腿根開間距多在30m以上，同時樁長多在95m以上，單根樁重達(dá)300t。這增大了樁基施工過程中對浮吊作業(yè)跨距及吊高的要求，常規(guī)可用于深水區(qū)此類樁基施工的大型浮吊資源處于緊缺狀態(tài)，無法滿足現(xiàn)階段海上風(fēng)電建設(shè)需求，需研究新的技術(shù)與工程裝備改進(jìn)施工工藝來降低深水區(qū)樁基施工難度[2]。

先樁法樁基施工需保證工程樁垂直度（3‰以內(nèi)）及樁頂高差在5cm以內(nèi)，目前用于海上風(fēng)電樁基施工定位導(dǎo)向的工程裝備有水上導(dǎo)向架和水下導(dǎo)向架兩種：

2.1 水上導(dǎo)向架沉樁技術(shù)

類似于以往近海淺水區(qū)項(xiàng)目，技術(shù)上也較為成熟，有過多項(xiàng)工程實(shí)踐的水上導(dǎo)向架，即導(dǎo)向架設(shè)計露出水面以上并配備大型工作平臺，如圖1所示，同時在導(dǎo)向筒上方水面處設(shè)置U形導(dǎo)向槽口導(dǎo)向喂樁，沉樁時以水上測量的方式完成標(biāo)高控制。

圖1 水上導(dǎo)向架

其施工特點(diǎn)在于測量及導(dǎo)向架調(diào)整均在水面以上完成，設(shè)備方案成熟，可靠性高。但由于其多采用輔助樁坐底形式，在海床地質(zhì)差異較大時會出現(xiàn)調(diào)平困難的現(xiàn)象，如圖2所示。此外，樁頂高程采用水面間接測量，僅能保證相對標(biāo)高精度，對工程樁絕對高程控制相對較為困難。同時，由于在深水區(qū)施工，導(dǎo)向架需保證高于水面的要求，故導(dǎo)向架整體重量隨水深加深而增大，一般滿足40m水深作業(yè)的水上導(dǎo)向架（含輔助樁）約有近1400t的重量，同時由于頂部U型導(dǎo)向槽口及平臺的存在，對浮吊起重能力要求非常高，多需要4000t以上的浮吊方可滿足施工要求。

圖2 水上導(dǎo)向架沉樁

2.2 水下導(dǎo)向架沉樁技術(shù)

相對于水上導(dǎo)向架沉樁技術(shù)，水下導(dǎo)向架的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)沉樁導(dǎo)向插樁及標(biāo)高控制的水下化，如圖3所示。水下導(dǎo)向架設(shè)計整體入水，出水結(jié)構(gòu)少，一般用于40m～50m作業(yè)水深，重量可減少至700t～900t，整體重量較水上導(dǎo)向架更加輕便，浮吊作業(yè)時可借助導(dǎo)向架頂部一定的水深進(jìn)行施工，如圖4所示。從而減小喂樁及沉樁的吊裝跨距，降低浮吊起重能力要求，具有在1200t至2400t浮吊資源上選用施工船舶的優(yōu)勢。

圖3 水下導(dǎo)向架喂樁

圖4 水下導(dǎo)向架沉樁

但由于水下作業(yè)需配備水下三維姿態(tài)儀、USВL及ROV等設(shè)備，配套設(shè)施成本較高。同時，由于水下測量監(jiān)測技術(shù)尚未成熟，監(jiān)控設(shè)備故障率較高，在沉樁技術(shù)可靠性上不如水上導(dǎo)向架。

縱觀水上和水下導(dǎo)向架兩種技術(shù)，雖然設(shè)計出發(fā)點(diǎn)不一致，各具優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際施工效率基本仍能在同一水平。在未來水下沉樁基礎(chǔ)成熟發(fā)展的前提下，可以大幅降低船機(jī)資源要求，水下導(dǎo)向架沉樁技術(shù)也將逐漸成為行業(yè)內(nèi)主流沉樁工程裝備。

3.風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架安裝技術(shù)

風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架安裝分為定位及吊裝作業(yè)，海上采用高精度DGPS定位系統(tǒng)進(jìn)行船施工船舶初定位至基礎(chǔ)機(jī)位坐標(biāo)附近，吊裝作業(yè)分為立式吊裝和臥式翻身吊裝兩種，其工藝與以往淺水區(qū)施工技術(shù)基本一致。在完成導(dǎo)管架的起吊作業(yè)后，通過安排潛水員或ROV輔助引導(dǎo)插尖對接工程樁，最后進(jìn)行工程樁與導(dǎo)管架插尖的灌漿工作[3]。

立式吊裝施工工藝簡單高效，是目前深水區(qū)導(dǎo)管架安裝技術(shù)的首選吊裝方案，如圖5所示，但由于水深超過40m，導(dǎo)管架高度一般在65m以上，重量在1300t以上，采用全回轉(zhuǎn)浮吊進(jìn)行施工，至少配置3000t級以上，隨著導(dǎo)管架高度重量的不斷增加，選用更大的浮吊不具備有良好的工程經(jīng)濟(jì)性，頂部掛鉤及人員上下等現(xiàn)場問題受海況制約影響較大，在技術(shù)上可通過降低吊耳高度、現(xiàn)場船舶調(diào)載等方式來降低施工難度，在沒有大型浮吊支持作業(yè)下，宜考慮采用臥式翻身吊裝方案，如圖6所示。

圖5 立式吊裝

圖6 臥式翻身吊裝

4.風(fēng)電機(jī)組安裝技術(shù)

近海深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝，由于水深增大，導(dǎo)管架樁腿根開增大，同時風(fēng)電機(jī)組輪轂中心標(biāo)高提升，風(fēng)電安裝平臺就位精度要求更高，不同于淺水區(qū)，水深及淺層淤泥厚度的增加，對風(fēng)電安裝平臺可用樁腿長度要求更高，在水深40m～50m作業(yè)，樁腿長度至少需85m以上，國內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)電安裝平臺資源屈指可數(shù)，同時深水區(qū)風(fēng)向海況復(fù)雜多變，對風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸船定點(diǎn)就位有更高的要求，綜合考慮施工作業(yè)及平臺安全，以往簡單的風(fēng)電安裝平臺進(jìn)點(diǎn)駐位方案已無法滿足實(shí)際施工要求，見圖7。

圖7 船舶駐位示意圖

在深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝中，除前期的插樁入泥計算和穿刺分析外，還應(yīng)綜合考慮海況對進(jìn)點(diǎn)駐位方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，平臺駐位應(yīng)盡可能采用DGPS技術(shù)輔助，同時在平臺頂升階段還應(yīng)測量確定好基礎(chǔ)平臺與風(fēng)電機(jī)組安裝平臺甲板相對高程的監(jiān)測，以確保風(fēng)電機(jī)組吊裝的順利，見圖8。

圖8 風(fēng)機(jī)安裝

5.結(jié)語

目前國內(nèi)海上風(fēng)電已進(jìn)入從淺水區(qū)向深水區(qū)的過渡階段，一方面，發(fā)展深水區(qū)海上風(fēng)電可更加充分利用遠(yuǎn)岸豐富且穩(wěn)定的風(fēng)能資源，遠(yuǎn)離航道及沿海岸線，是海上風(fēng)電規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的方向，經(jīng)過近些年的各個工程項(xiàng)目的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國在海上風(fēng)電制造、建設(shè)、運(yùn)維技術(shù)水平均不斷提高，技術(shù)是制約海上風(fēng)電走向深水區(qū)的關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電平價建設(shè)，就必須改變現(xiàn)有技術(shù)路線，加強(qiáng)對深水區(qū)海上風(fēng)電建設(shè)的技術(shù)研究，同時隨著國家及地方政策的引導(dǎo)推動，我國海上風(fēng)電的競爭力將不斷增強(qiáng)，助力國家如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)[4]。